高中物理第三章传感器3生活中的传感器课件-64张 64页

3. 生活中的传感器　 一、家用电器中的传感器 1. 洗衣机中的传感器 : (1)_____ 传感器。 (2) 负载量传感器。 (3)_____ 传感器。 (4) 布质传感器。 水位 水温 (5)_______ 传感器。 (6) 脏污程度传感器。 (7) 脱水 ( 压电 ) 传感器。 洗涤粉 2. 电冰箱中的传感器 : (1) 电冰箱的组成 :①_____ 系统 ;②_____ 系统。 (2) 电冰箱的控制系统。 ① _____ 自动控制。 ②除霜温度控制。 ③过热及过电流保护。 制冷 控制 温度 3. 家用报警器 : (1)_________ 报警器。 (2) 防盗报警器。 (3) 消防感烟报警器。 可燃气体 二、传感器与人的感官 (1) 光传感器 人的 _____ 。 (2) 化学和生物传感器 人的 _______ 。 (3) 力学、振动、温度传感器 人的手、足、皮肤 等。 (4) 声传感器 人的 _____ 。 眼睛 鼻和舌 耳朵 【 思考辨析 】 (1) 普通电冰箱中的自动温度控制电路主要应用温度传感器。 ( 　　 ) (2) 马路两侧的路灯控制电路主要应用声音传感器。 ( 　　 ) (3) 气垫导轨上用的光电门主要应用了光传感器。 ( 　　 ) (4) 电熨斗和电饭锅的敏感元件都是双金属片。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。自动温度控制电路涉及温度的控制 , 主要应用了温度传感器。 (2)× 。主要应用光传感器。 (3)√ 。光电门主要应用了光传感器。 (4)× 。电饭锅的敏感元件是感温铁氧体。 一　传感器的应用分析 【 典例 】 如图甲 (a) 所示为一测量硫化镉光敏电阻特性 的实验电路 , 电源电压恒定。电流表内阻不计 , 开关闭 合后 , 调节滑动变阻器滑片 , 使小灯泡发光逐渐增强 , 测 得流过电阻的电流和光强的关系曲线如图甲 (b) 所示 , 试根据这一特性由图乙中给定的器材设计一个自动光控电路。 【 正确解答 】 由光敏电阻的特性曲线可以看出 , 当入射 光增强时 , 光敏电阻的阻值减小 , 流过光敏电阻的电流 增大。 根据题意设计的自动光控电路如图所示。控制过程是 : 当有光照时 , 光电流经过放大器输出一个较大的电流 , 驱动电磁继电器吸引衔铁使两个触点断开 , 当无光照时 , 光电流减小 , 放大器输出电流减小 , 电磁继电器释放衔铁 , 使两个触点闭合 , 控制电路接通 , 灯开始工作。 答案 : 见正确解答图 【 核心归纳 】 1. 传感器的应用步骤 : (1) 信息采集。 (2) 信息加工、放大、传输。 (3) 利用所获得的信息执行某种操作。 2. 分析传感器应注意的四点问题 : (1) 检测量分析 : 要明确传感器所检测的量 , 如力、热、光、磁、声等。 (2) 敏感元件分析 : 明确传感器的敏感元件 , 分析它的输入信号及输出信号以及输入信号与输出信号间的变化规律。 (3) 电路结构分析 : 认真分析传感器所在的电路结构 , 在熟悉常用电子元件工作特点的基础上 , 分析电路输出信号与输入信号间的规律。 (4) 执行机构分析 : 传感器的应用 , 不仅包含非电学量如何向电学量转换的过程 , 还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程。 ①以力传感器为例 : 传感器感受力的信息 ( 如大小、方向是否变化等 ) 后转换为电压、电流、电阻等电学量 , 然后经过放大 , 传输到执行机构进行某种操作 ( 如借助继电器控制电路通断 , 借助仪表进行显示等 ) 。 ② 以光传感器为例 : 光传感器感受光的信息 ( 如光的强弱、颜色等 ), 通过敏感元件 ( 如光敏电阻、光电池等 ) 将光的信息转换为电阻、电流等电学量 , 然后经过放大 , 传输到执行机构后执行某种操作。 【 过关训练 】 1. 如图甲所示是一火警报警装置的一部分电路 , 其中 R 2 是半导体热敏电阻 ( 传感器 ), 它的电阻 R 随温度 t 变化关系如图乙所示 , 该电路的输出端 a 、 b 接报警器 , 当传感器所在处出现火情时 , 通过电流表的电流 I 和 a 、 b 两端电压 U 与出现火情前相比 ( 　　 ) A.I 变大 ,U 变大　　　　　 B.I 变小 ,U 变小 C.I 变小 ,U 变大 D.I 变大 ,U 变小 【 解析 】 选 D 。当传感器所在处出现火情时 , 温度升高 , 即 R 2 的阻值减小 , 故外电阻减小 , 干路电流增大 , 内电压、 R 4 两端的电压均增大 , 故 a 、 b 两端电压减小 ; 并联电路的电压减小 , 通过 R 3 的电流减小 , 而总电流增大 , 所以 R 2 上通过的电流增大 , 故 D 选项正确。 2. 如图所示为小型电磁继电器的构造示意图 , 其中 L 为含铁芯的线圈 ,P 为可绕 O 点转动的铁片 ,K 为弹簧 ,S 为一对触头 ,A 、 B 、 C 、 D 为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合 , 可完成自动控制的要求。其工作方式是 ( 　　 ) A.A 与 B 接信号电压 ,C 与 D 可跟被控电路串联 B.A 与 B 接信号电压 ,C 与 D 可跟被控电路并联 C.C 与 D 接信号电压 ,A 与 B 可跟被控电路串联 D.C 与 D 接信号电压 ,A 与 B 可跟被控电路并联 【 解析 】 选 A 。由图可知 A 、 B 与电磁继电器线圈相连 , 所以 A 、 B 应接信号电压 , 控制电磁继电器工作 , 从而使 C 、 D 所在电路接通或断开 , 进而起到控制作用 , 应与被控电路串联 , 所以选项 A 正确。 【 补偿训练 】 1. 车床在工作时是不允许将手随便接近 飞转的工件的 , 为了防止万一 , 设计了下 面的光电自动控制安全电路 , 只要人手不小心靠近了工 件 , 机器就自动停转。图中的 A 为车床上的电动机 ;B 为 随电动机高速转动的工件 ;C 为光源 , 它发出的光照在光 敏电阻 D 上 ;E 为电磁铁 ;F 为衔铁 ;G 为电源 ;H 为弹簧。 请简述其工作原理 : 当手在 C 、 D 间靠近工件时 , 遮挡住射向光敏电阻的光 , 光敏电阻的阻值 ______, 电路中的电流 ______, 使电磁铁磁性 ______ 从而放开衔铁 , 造成电动机断路 , 使工件停转以保证安全。  【 解析 】 当手在 C 、 D 间靠近工件时 , 遮挡住光线 , 光敏电阻阻值增大 , 电路中的电流减小 , 使电磁铁的磁性减弱 , 从而放开衔铁 , 使电路自动断开。 答案 : 增大　减小　减弱 2. 用如图所示的传感器可以测物体的位移 , 说明它们的工作原理有什么不同。 【 解析 】 甲是将位移信号转化成电容信号 , 乙是将位移信号转化成电感信号。 答案 : 见解析 二　传感器的应用实例 【 典例 】 如图所示为某种电子秤的原理示意图 ,AB 为一 均匀的滑线电阻 , 阻值为 R, 长度为 L, 两边分别有 P 1 、 P 2 两个滑动头 ,P 1 可在竖直绝缘光滑的固定杆 MN 上保持水 平状态而上下自由滑动。弹簧处于原长时 ,P 1 刚好指着 A 端 ,P 1 与托盘固定相连。若 P 1 、 P 2 间出现电压时 , 该电 压经过放大 , 通过信号转换后在显示屏上将显示物体重力的大小。已知弹簧的劲度系数为 k, 托盘自身质量为 m 0 , 电源电动势为 E, 内阻不计 , 当地的重力加速度为 g 。求 : (1) 托盘上未放物体时 , 在托盘自身重力作用下 ,P 1 与 A 端的距离 x 1 。 (2) 托盘上放有质量为 m 的物体时 ,P 1 与 A 端的距离 x 2 。 (3) 在托盘上未放物体时通常先校准零点 , 其方法是 : 调节 P 2 , 使 P 2 离 A 端的距离也为 x 1 , 从而使 P 1 、 P 2 间的电压为零。校准零点后 , 将物体 m 放在托盘上 , 试推导出物体质量 m 与 P 1 、 P 2 间的电压 U 之间的函数关系式。 【 正确解答 】 (1) 由力的平衡知识有 m 0 g=kx 1 , 解得 x 1 = ; (2) 放上物体 m 重新平衡后 :m 0 g+mg=kx 2 , 解得 x 2 = ; (3) 托盘的移动带动 P 1 移动 , 使 P 1 、 P 2 间出现电势差 , 电 势差的大小反映了托盘向下移动距离的大小 , 由于 R 为 均匀滑线电阻 , 则其阻值与长度成正比。由闭合电路欧 姆定律知 E=IR, 由部分电路欧姆定律知 U=IR 串 (R 串 为 P 1 、 P 2 间电阻 ) 由 = , 其中 x 为 P 1 、 P 2 间的距离 , 则 x=x 2 -x 1 = 联立解得 m= 。 答案 : (1) 　 (2) 　 (3)m= 【 核心归纳 】 1. 力传感器的应用 —— 电子秤 : (1) 组成 : 由金属梁和应变片组成。 (2) 工作原理 : ① 如图所示 , 弹簧钢制成的梁形元件右端固定 , 在梁的 上下表面各贴一个应变片 , 在梁的自由端施力 F, 则梁发 生弯曲 , 上表面拉伸 , 下表面压缩 , 上表面应变片的电阻变大 , 下表面的电阻变小。 F 越大 , 弯曲形变越大 , 应变片的电阻变化就越大。 ② 如果让应变片中通过的电流保持恒定 , 那么上表面应变片两端的电压变大 , 下表面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大 , 输出的电压差值也就越大 , 由电压差值的大小 , 即可得到外力 F 的大小。 2. 温度传感器的应用 : (1) 电熨斗。 ①温度传感器 : 由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器 , 它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。 ② 电熨斗的自动控温原理 : 其内部装有双金属片温度传感器 , 如图所示 : 常温下 , 上下触点应是接触的 , 但温度过高时 , 由于双金属片受热膨胀系数不同 , 上层金属膨胀大 , 下层金属膨胀小 , 则双金属片向下弯曲 , 使触点分离 , 从而切断电源停止加热 ; 温度降低后 , 双金属片恢复原状 , 重新接通电路加热 , 这样循环进行 , 起到自动控制温度的作用。 (2) 电饭煲。 ① 结构 : 如图所示 , 它的主要元件感温铁氧体是用氧化锰、氧化锌和氧化铁粉末混合烧结而成的。它的特点是 : 常温下具有磁性 , 能被磁体吸引 , 但是温度上升到约 103 ℃ 时 , 就失去了磁性 , 不能被磁体吸引了。 ② 工作原理 : 电饭煲工作时 , 按下开关按钮 , 感温磁体与永磁体接触 , 两个接线螺钉通过触点相连 , 电路接通 , 开始工作 , 电饭煲内温度升高 , 当达到 103 ℃ 时 , 感温磁体与永磁体分离 , 带动触点分离 , 电路断开 , 不再加热 , 电饭煲停止工作。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 关于应变式力传感器的说法正确的是 ( 　　 ) A. 应变式力传感器是由半导体材料制作的应变片来感知压力的变化 B. 应变片的特点是拉伸时电阻变大 , 收缩时电阻变小 C. 在应变片中通有变化的电流 , 那么电阻的变化就引起电阻两端电压的变化 D. 当外力增大时 , 两个应变片两端的电压差值增大 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。应变片是由半导体材料制成的 , 故 A 正确 ; 当应变片的表面拉伸时 , 其电阻变大 ; 反之 , 变小 , 故 B 正确 ; 传感器输出的是应变片上电压的差值 , 故 C 错误 ; 外力越大 , 输出的电压差值也越大 , 故 D 正确 ; 故选 A 、 B 、 D 。 2. 现有由具有负温度系数的热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关组成的一个温控电路。温度低于某一温度时 , 电炉丝自动通电供热 , 超过某一温度时 , 又可以自动断电 , 试说明工作过程。 【 解析 】 闭合 S, 电炉丝通电工作 , 刚开始加热时 , 电炉丝温度低 , 热敏电阻的温度也低 , 阻值大 , 通过电磁继电器的电流小 , 电磁铁磁性小 , 不能使 K 断开 , 于是电炉丝继续通电加热。当温度升高到设计值时 , 热敏电阻减小到某值 , 通过电磁继电器的电流达到工作电流 , 电磁铁 磁性增强 , 将 K 吸合 , 电炉丝断电 , 停止供热 ; 当温度低于设计值时 , 又重复前述过程。 答案 : 见解析 3. 如图所示为一种加速度仪的示意图。质量为 m 的振子两端连有劲度系数均为 k 的轻弹簧 , 电源的电动势为 E, 不计内阻 , 滑动变阻器的总阻值为 R, 有效长度为 L, 系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中间 , 这时电压表指针恰好在刻度盘正中间。求 : (1) 系统的加速度 a( 以向右为正 ) 和电压表读数 U 的函数关系式。 (2) 将电压表刻度改为加速度刻度后 , 其刻度是均匀的还是不均匀的 ? 为什么 ? (3) 若电压表指针指在满刻度的 位置 , 此时系统的加 速度大小和方向如何 ? 【 解析 】 (1) 当振子向左偏离中间位置 x 距离时 , 由牛顿 第二定律得 2kx=ma ① 电压表的示数为 U= E ② 由以上两式解得 a= (E-2U) ③ (2) 均匀 , 因为加速度 a 与电压表示数 U 是一次函数 ( 线性 ) 关系。 (3) 当滑动触头滑到最右端时 , 电压表最大示数 U m =E, 电 压表指针指在满刻度的 位置时 ,U= E, 代入③式解 得 a=- , 方向向左。 答案 : (1)a= (E-2U) 　 (2) 见解析　 (3) 方向向左 【 补偿训练 】 如图所示 , 小铅球 P 系在细金属丝下 , 悬挂在 O 点 , 开始 时小铅球 P 沿竖直方向处于静止状态 , 当将小铅球 P 放入 水平流动的水中时 , 球向左摆动一定的角度 θ, 水流速 度越大 ,θ 越大。为了测定水流对小球作用力的大小 , 在水平方向固定一根电阻丝 BC, 其长为 L, 它与金属丝接 触良好 , 不计摩擦和金属丝的电阻 ,C 端在 O 点正下方处且 OC=h 。图中还有电动势为 E 的电源 ( 内阻不计 ) 和一只电压表。请你连接一个电路 , 使得当水速增大时 , 电压表示数增大。 【 解析 】 如图所示。设 CE=x,P 球平衡时 , 由平衡条件可得 tanθ= = ① 根据闭合电路欧姆定律和部分电路的欧姆定律可得 I= = ② 根据电阻定律可得 R L =ρ ③ R x =ρ ④ 由①、②、③、④式可得 U= , 因为水速越大 , θ 越大 , 则 U 越大。 答案 : 见解析 【 拓展例题 】 考查内容 : 传感器在航天事业中的应用 【 典例 】 在航天事业中要用角速度计测得航天器的自 转角速度 ω, 结构如图所示 , 当系统绕轴 OO′ 转动时 , 元 件 A 在光滑杆上发生滑动 , 并输出电信号 , 成为航天器的 制导信号源 , 已知 A 的质量为 m, 弹簧的劲度系数为 k, 原 长为 l 0 , 电源电动势为 E, 内阻不计 , 滑动变阻器总长为 l , 电阻分布均匀 , 系统静止时滑动变阻器触头 P 在中点 , 与固定接头 Q 正对 , 当系统以角速度 ω 转动时 , 求 : (1) 弹簧形变量 x 与 ω 的关系式。 (2) 电压表示数 U 与角速度 ω 的关系式。 【 正确解答 】 (1) 由圆周运动规律知 kx=mω 2 R=mω 2 ( l 0 +x) 即 kx-mω 2 x=mω 2 l 0 , 所以 x= (2) 由串联电路的规律知 U= E= 答案 : (1)x= 　 (2)U=